КАФЕДРА «АВТОМАТИКА И УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ»

КАФЕДРА «АВТОМАТИКА И УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ» ДИСЦИПЛИНА : «ЭЛЕКТРОНИКА» Лектор: Доцент кафедры « Автоматика и управление в технических системах » , к. т. н Сизов Юрий Александрович

Список литературы: Лачин В. И. , Савелов Н. С. , «Электроника» , Ростов на дону, изд. «Феникс» , 2008 г. Бунько Е. Б. , Меша К. И. , Мурачев Е. Г. и др. , под ред. В. И. Харитонова «Управление техническими системами» — М. : ФОРУМ , 2010 г. – 384 с. Харитонов В. И. Учебное электронное пособие по электронике для организации самостоятельной работы студентов. Москва. Изд. ООО «Институт информационных технологий» , 2009.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины: • ОК-6 – способностью к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства; • ПК-5 – способностью собирать и анализировать исходные информационные данные для проектирования технологических процессов изготовления машиностроительной продукции, средств технологического оснащения, автоматизации и управления; • ПК-9 — способностью принимать участие в разработке средств технологического оснащения машиностроительных производств; • ПК-10 — способностью участвовать в разработке проектов модернизации действующих машиностроительных производств, создании новых.

ПОКОЛЕНИЕ БЫСТРОД. ОП/СЕК СКОРОСТЬ ВВОДА ЧИСЕЛ/СЕК МОЩНОСТЬ КВт ПЛОТНОСТЬ МОНТАЖА В СМ 3 1 10 2 – 20*10 3 20 – 30 10 – 100 0, 001 – 0, 003 2 10 4 – 10 6 100 10 – 20 0, 1 – 0, 5 3 10 7 – 10 8 >100 1 – 5 5 – 50 4 >10 9 >10 3 0, 4 – 0, 5 50 —

Объект управления Датчики контролируемых величин Фильтры Усилители АЦП Микропроцессор ЦАП Усилители Силовые электронные устройства Исполнительные устройства. ЭВМ

ENIAC Z 8000 18000 э. л. 17500 тр-ов 300 м 2 3, 9 мм 2 50000 Вт 0, 5 Вт 30 т 298 г 480000 $ 375 $ (1980)

t ф + — передний t ф — — задний

Резисторы. Пассивные радиоэлементы постоянные переменные подстрочные

Резистору соответствуют следующие параметры: • Номинальное значение сопротивления R, Ом; • Максимальная рассеиваемая мощность резистора Р, Вт; • Допустимое отклонение значения от нормы ∆R, %; • Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) – определяет изменение сопротивления резистора от температуры при увеличении на 1 градус; • Тип резисторного элемента.

Ряды

Допуск

Проволочные и непроволочные резисторы

Виды • Керамические • Слюдяные • Фторопластовые • Бумажные • Эл. летические

М 1 мк. Ф = 10 -6 Ф Н 1 н. Ф = 10 -9 Ф П 1 п. Ф = 10 -12 Ф С 1 = 470 п. Ф С 2 = 0, 01 мк. Ф (10000 п. Ф) С 3 = 10 мк. Ф х 16 В

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

где U и I – напряжение и ток варистора. Коэффициент нелинейность для различных типов варисторов в пределах 2 –

Термисторы

коэффициент ТКС равен: где R 1 – сопротивление при номинальной температуре, ∆R – изменение сопротивления при изменении температуры на величину ∆t.

Электронно-дырочный p-n переход

Тип диода Условное графическое обозначение в отечественной литературе. Буквенный символ VD Выпрямительный, импульсный, универсальный Стабилитроны Диоды Шотки Туннельный диод Обращенный диод Варикап Светодиод Тиристор (управляемый по аноду)

Основными параметрами выпрямительного диода являются: • Uобр. max – максимально допустимое напряжение, приложенное в обратном направлении, которое не нарушает работоспособности диода; • I вп. ср – среднее за период значение выпрямительного тока; • I пр. и – амплитудное значение импульсного тока при заданной длительности скважности импульса; • I обр. ср – среднее за период значение обратного тока; • U пр. ср – среднее за период значение прямого напряжения на диоде; • P ср – средняя за период мощность, рассеиваемая диодом; • r диф – дифференциальное сопротивление диода.

Импульсные диоды • U пр. max – максимальное значение импульсного прямого напряжения; • I пр. max – максимальное значение импульсного тока; • С д – емкость диода; • t уст – время установления прямого напряжения диода; • t вост – время восстановления обратного сопротивления диода. Это интервал времени от момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданной малой величины.

Стабилитроны • U ст – напряжение стабилизации; • I ст. max – максимальный ток стабилизации; • I ст. min – минимальный ток стабилизации; • r д – дифференциальное сопротивление на участке «ab» ; • ТКН – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Варикапы В этом выражении C(0)=ε r ε 0 S – емкость при нулевом запирающем напряжении; S и 1 – площадь и толщина p-n перехода; ε 0 – диэлектрическая постоянная, ε 0 =8, 85*10 -12 Ф/М; ε r – относительная диэлектрическая постоянная; ϕ k – контактный потенциал (для германия 0, 3… 0, 4 В и 0, 7… 0, 8 В для кремния); |U| — модуль обратного напряжения, приложенного к p-n переходу; n=2 для резких переходов; n=3 для главных переходов.

• С – емкость при обратном напряжении 2 -5 В; • К с – коэффициент перекрытия по емкости. Обычно С = 10 – 500 п. Ф, К с = 5 – 20. Варикапы применяются в системах дистанционного управления, для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Светодиоды

Фотодиоды В фотодиодах на основе p-n переходов используется эффект разделения на границе электро-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. Схематически фотодиод изображен на рисунке:

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотодиода.

Оптрон (оптопара)

• Э – эмиттер; • Б – база; • К – коллектор; • ЭП – эмиттерный переход; • КП – коллекторный переход; • W – толщина базы. Биполярные транзисторы

Параметры биполярного транзистора

Тиристоры

Тринистор

Самостоятельно решить Объяснить, как работает приведенная схема на полевом транзисторе. Поясните назначение элементов схемы и процессы, происходящие в этой схеме.

Ответ: • Конденсаторы С 1, С 2 служат для разделения постоянной и переменой составляющей. • Конденсатор Си обеспечивает шунтирование Rи на средних частотах. • Rc обеспечивает наклон линии нагрузки, коэффициент усиления и выходное сопротивление каскада. • R 3 и Rи обеспечивают режим покоя усилительного каскада.

Самостоятельно решить На передаточной характеристике показана диаграмма токов и напряжений, соответствующая режиму класса А. Объясните диаграмму токов и напряжений, если уровень входного сигнала, превышает 0, 1 В.

Ответ: При превышение уровня входного напряжения выше 0. 1 В, наблюдается нелинейное искажение сигналов Uвых. , Iвых.

Самостоятельно решить Укажите причину и характер физических процессов, происходящих при изменении управляющих токов I у1 , I у2 , I у3.

Ответ: Соотношение между токами Iy 1 > Iy 2 > Iy 3. При этом напряжение открытия тиристора Uпр1 < Uпр2 и т. д

Самостоятельно решить Объясните функционирование тиристорной схемы, используя приведенные справа диаграммы токов и напряжений.

Ответ: Открытие тиристора происходит при достижении Uвх уровня Uпр, при этом ток резко возрастает до величины ограниченной сопротивление нагрузки управляемого напряжения.

Самостоятельно решить На какой вход операционного усилителя следует подать входной сигнал U вх. , чтобы на выходе получить сигнал U вых. , в соответствии с приведенной временной диаграммой?

Ответ: На инвертирующий вход

Какие элементы схемы определяют режим покоя? Нарисуйте АЧХ данного усилителя. Какие конденсаторы оказывают влияние на АЧХ? Самостоятельно решить

Ответ: Режим покоя: R 1 , R 2 , R э Конденсаторы: С 1 , С 2 , С э

Самостоятельно решить Поясните процессы, происходящие в этой схеме. Определите коэффициент усиления по току составного транзистора, если β VT 1 = 75, а β VT 2 =100.

Ответ: β VT 1 , VT 2 =

Самостоятельно решить Пользуясь рисунком, объясните основные особенности и свойства операционного усилителя. Объясните, какая характеристика соответствует режиму, при котором входной сигнал подается на инвертирующий вход?

Ответ: В случае изменения передаточной функции по характеристике 1.

Самостоятельно решить Изложите важнейшие особенности и свойства МДП — транзисторы с встроенным каналом.

Ответ: При изготовлении МДП транзисторов со встроенным каналом, на заводе изготовителе, обеспечивается создание проводящего канала между истоком и стоком.

Самостоятельно решить Поясните, почему данный усилитель называется дифференциальным. В каком режиме он работает? Как он реагирует на подачу синфазного сигнала?

Ответ: 1. Такой усилитель реагирует только на разностный сигнал между входами. 2. Работа осуществляется в линейном режиме. 3. В идеальном случае Ku синф. = 0, из-за не однородности характеристик элементов усилителя не наблюдается полная симметрия схемы и в результате появляется, на выходе, сигнал обусловленный наличием Uсинф.

Самостоятельно решить На какой вход ОУ удобно подавать напряжение положительной обратной связи, а на какой — напряжение отрицательной обратной связи?

Ответ: На инвертирующей — отрицательной OC, на не инвертирующей – положительной OC.

Самостоятельно решить Сравните параметры эмиттерного повторителя с параметрами схемы ОЭ. Чем эти схемы отличаются друг от друга? Будет ли эмиттерный повторитель усиливать мощность сигнала? Почему эмиттерный повторитель называют буферным каскадом?

Ответ: 1. Да, будет усиление, поскольку коэффициент усиления по току будет βIвх, а коэффициент усиления напряжения почти равен единице. 2. Поскольку Rвх. очень велико, а Rвых. очень мало.

Самостоятельно решить Поясните процессы, происходящие в этой схеме. Какие элементы схемы определяют режим покоя? Сравните функции разделительных и блокировочных конденсаторов. Нарисуйте АЧХ данного усилителя. Какие конденсаторы оказывают влияние на АЧХ?

Ответ: 1. Конденсаторы С 1 , С 2 служат для разделения постоянной и переменой составляющей. 2. Конденсатор С э обеспечивает шунтирование R э на средних частотах. 3. R к обеспечивает наклон линии нагрузки, коэффициент усиления и выходное сопротивление каскада. 4. R 1 , R 2 и R э обеспечивают режим покоя усилительного каскада.

Самостоятельно решить Объясните назначение элементов схемы и процесс усиления входного сигнала. Поясните работу цепи автоматического смещения.

Ответ: 1. При подаче на затвор отрицательного потенциала происходит сужение канала между, истоком и стоком, в результате чего ток уменьшается и транзистор закрывается. 2. Падение напряжения на сопротивлении R и , обеспечивает подачу напряжения смещение через сопротивление R и на затвор.

Самостоятельно решить Объясните, какому усилителю соответствует данная амплитудно-частотная характеристика. Определите полосу пропускания по АЧХ.

Ответ: 1. R c усилитель. 2. На уровне 0, 707 K max как диапазон ∆

Самостоятельно решить Определите по ВАХ h 21 Э. Объясните три режима работы БТ. Укажите область безопасной работы биполярного транзистора.

Ответ: Коэффициент усиления равен 400.

Самостоятельно решить Покажите цепь протекания постоянного коллекторного тока через транзистор.

Ответ: Цепь: R к -U кэ -R

Операционные усилители (ОУ) где: 1 – инвертирующий (инверсный) вход; 2 – неинвертирующий (прямой)вход; 3 – выход; +U и –U – выводы для подключения положительного и отрицательного напряжения питания; 0 В – общий вывод ( «ноль вольт» ). Вход и выход имеют общую точку ┴ (земля); NC и FC – метки, характеризующие функции вывода.

К R вх. R вых. f МГц К 140 УД 1 Б 1300 -1700 7 -35 к. Ом 300 Ом 8 К 140 УД 8 А 50*10 3 1 Мом 200 Ом 1 К 140 УД 8 Б 20*10 3 100 к. Ом 200 Ом 1 К 140 УД 26 А 10 6 330 к. Ом —

Инвертирующий усилитель на ОУ Знак “-” говорит о том, что происходит инверсия знака входного напряжения.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Повторитель напряжения на ОУ

Сумматор напряжений на ОУ (инвертирующий сумматор)

Сумматор

Вычитающий усилитель на ОУ

Дифференциальный усилитель

Усилитель является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей. В рассматриваемом случае напряжение на выходе определяется из выражения: т. е. зависит от разрядности входных сигналов.

Интегрирующий усилитель на ОУ

ФНЧ

Аналоговый компаратор

Триггер Шмитта

Симметричный мультивибратор в режиме автоколебаний

Несимметричный мультивибратор времени автоколебаний

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Генераторы линейного изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Электронные ключи

Транзисторные ключи

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10 -15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108 -109 Ом.

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

Силовые (мощные) полупроводниковые приборы ДМДП-транзистор

IGBT-транзистор

VМДП-транзистор

SIT-транзистор

Мощные биполярные транзисторы применяются в качестве высоковольтных ключей в устройствах с частотой коммутации или преобразования, находящейся в диапазоне 10 -100 к. Гц, при уровне выходной мощности от единиц Вт до нескольких к. Вт. Оптимальный диапазон коммутируемых напряжений 200 -2000 В.

Полевые транзисторы (MOSFET) применяются в качестве электронных ключей для коммутации низковольтных высокочастотных устройств. Оптимальные значения коммутируемых напряжений не превышают 200 В (максимальное значение до 1000 В), при этом частота коммутации может находится в пределах от единиц к. Гц до 105 к. Гц. Диапазон коммутируемых токов составляет 1, 5 -100 А.

Тиристоры (динисторы, тринисторы, симисторы) являются основными элементами в силовых устройствах электроники. Существует тиристоры, для которых напряжение переключения больше, чем 1 к. В, а максимально допустимый ток больше, чем 1 к. А.

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

2 2 0 1 sin( ) 2 m d cp m I I t d t 2 22 4 5, 0 2 U UU U m d

22, 22 2 d d U U U 21 Un. U d dm I II I 57,

dmmобр UUU 2. dдопобр. UU. . dдопср II. .

Недо статки однополупериодного выпрямителя: • Форма тока в нагрузке имеет большие пульсации. • Форма потребляемого из сети тока отличается от синусоиды, что искажает форму напряжения сети. • Имеют ограниченное применение при небольших мощно стях (до не скольких де сятков Вт)

2 2 9, 0 22 U U U d 2 2 dm a II I d d mобр. U U UU 57, 1 2 2 max.

, L = X ф. L

ЭБСТ ВЫХ U- U=U

ВЫХ ВЫХВХ ВХ СТ U UU U = К

ВЫХ = ВЫХ I U R ВХВХ ВЫХВЫХ I U =h

а) + о-

б)

в)

д)

СТАБИЛИЗАТОРЫ

Логические устройства. Цифровые сигналы

Цифровые устройства

C t D t Q t+

J t K t Q t+

Реверсивный синхронный счетчик

Шифраторы (кодеры) и дешифраторы (декодеры)

Дешифраторы

Регистры • прием слова в регистр; • передача слова из регистра; • поразрядные логические операции; • сдвиг слова влево ил вправо на заднее число разрядов; • преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно; • установка регистра в начальное состояние (сброс).

Логические функции

Логические элементы И-НЕ, ИЛИ — НЕ, исключающие ИЛИ

Сложные логические элементы

Основные законы и тождества алгебры логики

Минимальный базис И — НЕ (ИЛИ — НЕ)

Входы и выходы цифровых микросхем

Мультиплексоры и демультиплексоры

УГО мультиплексора, имеющего 8 информационных входов, 3 адресных входа, вход разрешения V, и два выхода (прямой инверсных) показано на рисунке: При V=1 мультиплексор блокируется.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП или DAC)

Разрешающая способность ЦАП — выходное напряжение, соответствующее единице в младшем разряде входного кода: где 2 n -1 — максимальный вес входного кода. Так например, при U max = 10 B, n = 12, Δ =10/(2 12 -1) = 2, 45 м. В. Чем больше n, тем меньше Δ и тем точнее выходным напряжением может быть представлен входной код. Относительное значение разрешающей способности:

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП или ADC)

Входное напряжение Uвх сравнивается с помощью (2 n-1) компараторов с уровнями Выходные сигналы компараторов (X 1, X 2. . X 7) с помощью кодирующего преобразователя преобразуется в n — разрядный (n = 3) двоичный код Z 0 Z 1 Z 2.

Устройство выборки и хранения (УВХ)

A B S 0 0 1 1 1 0 Сумматоры

A B P S

A B P n-1 P r S

S=ABPn-1+ABPn-1+ABPn-1 Pn=ABPn-1+ABPn-1+ABPn-

Цифровые запоминающие устройства (ЗУ) Информационная емкость – это объем памяти, т. е. количество кодов (m), которые могут в ней храниться, и разрядность этих кодов (n). Информационная емкость определяется выражением: N=nm. Для обозначения количества ячеек памяти используется следующие специальные единицы измерения:

Принцип организации памяти записывается следующим образом: сначала пишется количество ячеек, а затем, через знак умножения, пишется разрядность кода, хранящегося в одной ячейке. Например, организация памяти 64 К х 8 означает, что память имеет 64 К (т. е. 65536) ячеек и каждая ячейка – восьмиразрядная. Информационная емкость N =65536*8= 524288 бит. Потребляемая мощность – это мощность, потребляемая ЗУ в установившемся режиме работы. Время хранения информации – интервал времени, в течение которого ЗУ сохраняет информацию в заданном режиме. Быстродействие – промежуток времени, необходимый для записи или считывания информации.

В зависимости от способа занесения (записи) информации и от способа хранения информации микросхемы памяти разделяются на следующие три типа: 1) Постоянная память (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, ROM – Read Only Memory – память только для чтения), в которую информация заносится только один раз на этапе изготовления микросхемы. Такая память называется еще масочным ПЗУ. Информация в памяти не пропадает при выключении ее питания, поэтому ее еще называют энергозависимой памятью. 2) Программируемая постоянная память (ППЗУ – программируемое ПЗУ, PROM – Programmable ROM), в которую информация может заноситься пользователем с помощью специальных методов (ограниченное число раз). Информация ППЗУ тоже не пропадает при выключении ее питания, т. е. она также энергозависимая. 3) Оперативная память (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство, RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом), запись информации в которую наиболее проста и может производиться пользователем сколько угодно раз на протяжении срока службы микросхемы. Информация в памяти пропадает при выключении ее питания.

Оперативные запоминающие устройства

а – ПЗУ, б – ОЗУ с двунаправленной шиной данных; в – ОЗУ с раздельными шинами входных и выходных данных.

Микросхема К 537 РУ 8 – это статическое ОЗУ объемом 2 Кб, выполнена на основе структур КМОП, по входу и выходу совместима с ТТЛ – структурами. Имеет двунаправленную 8 – ми разрядную шину данных, которая используется для записи, и для считывания информации. Тип выхода – 3 С. Управляющие сигналы имеют следующие назначения: CS – выбор микросхемы; А – адресные входы; Д – информационные входы/выходы; W/R – разрешение записи/считывания, CE – сигнал разрешения.

Микросхемы К 565 РУ 5 – это динамическое ОЗУ на основе n – МОП – структур, по входам и выходам совместима с ТТЛ – структурами, имеет организацию 64 К х 1. Шина адреса работает в мультиплексорном режиме. Вначале на ней выставляются адреса строк, которые запоминаются во внутреннем регистре по спаду сигнала RAS. Затем выставляются адреса столбцов, которые запоминаются по спаду сигнала CAS. DI – информационные входы; DO – информационные выходы. Тип выхода – 3 С.

СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ

Характеристика USB-6008 Аналоговый ввод Тип преобразования Последовательные приближения Количество аналоговых входов 8 в схеме с общим проводом, 4 в дифференциальной схеме, настраивается программно Разрешение 12 бит (дифференциальное подключение) 11 бит (подключение с общим проводом) Максимальная частота дискретизации, один канал* 10 к. Гц Максимальная частота дискретизации, несколько каналов (Суммарная)* 10 к. Гц Объем FIFO буфера для операций аналогового ввода. 512 байт Временное разрешение 41. 67 нс (частота тактового генератора 24 МГц) Диапазон входных напряжений — в схеме с общим проводом — в дифференциальной схеме ± 10 В ± 20 В, ± 10 В, ± 5 В, ± 4 В, ± 2. 5 В, ± 2 В, ± 1. 25 В, ± 1 В Рабочее напряжение ± 10 В Входной импеданс 144 к. Ом Защита от превышения напряжения до ± 35 В Тип триггера Программный или внешний цифровой. Таблица 1 – Некоторые характеристики ПСД

Генераторы синусоидальных колебаний

Активные фильтры

Выбор аналого-цифрового преобразователя

Наиболее распространенные отечественные АЦП приведены в таблице:

Выбор измерительной цепи

Примем: R 4 =R 5 =10 к. Ом, тогда R 12 = 27 к. Ом

Выпрямители

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Интерфейс RS-232 (RS — recommended standard — рекомендованный стандарт) соединяет два устройства — компьютер и устройство передачи данных. Скорость передачи — 115 Кбит/с (максимум), расстояние передачи — 15 м (максимум), схема соединения — от точки к точке.

Интерфейс RS-485 — широко распространенный высокоскоростной и помехоустойчивый промышленный последовательный интерфейс двунаправленной передачи данных. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство датчиков и исполнительных устройств содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485.

Ethernet (ether — эфир) — технология передачи данных, используемая в большинстве локальных компьютерных сетей. Этот интерфейс базируется на стандарте IEE 802. 3. Если интерфейс RS-485 можно рассматривать по принципу «один ко многим» , то Ethernet работает по принципу «многие ко многим» .

Ethernet — 10 Мбит/с Быстрый (Fast) Ethernet — 100 Мбит/с Гигабитный (Gigabit) Ethernet — 1 Гбит/с 10 -гигабитный Ethernet

Витая пара: 1 — Внешняя оболочка, 2 — Экран-фольга, 3 — Дренажный провод, 4 — Защитная пленка, 5 — Витая пара

Шина USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) обеспечивает подключение к компьютеру большое количество разнообразных периферийных устройств, в том числе мобильные телефоны и бытовую электронику.

Спецификация USB 3. 0 повышает максимальную скорость передачи информации до 4, 8 Гбит/с — что на порядок больше 480 Мбит/с, которые может обеспечить USB 2. 0.